Смирнов А.Н., Сафонов В.М. и др. Металлургические мини-заводы

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 411

• оптимизировать подачу металла в кристаллизатор и опре-

делить оптимальные условия перемещения стали в жидкой

ванне кристаллизатора;

•

разработать методики расчета геометрической формы

внутренней полости кристаллизатора с учетом конкретных

условий разливки и деформации твердой корочки.

На тонкослябовых установках следующего поколения реа-

лизована технология литья с обжатием заготовки с жидкой серд-

цевиной непосредственно под кристаллизатором (до толщины

менее 35 мм) и последующей прокаткой на лист толщиной менее

1 мм. Такое технологическое

построение позволяет уменьшить

число клетей стана горячей прокатки и создать весьма компакт-

ное производство.

В январе 1996 г. вышел на проектную мощность 1,5 млн. т

стали в год металлургический завод фирмы «Steel Dynamics»,

(Батлер, США) на котором реализована технология CSP второго

поколения, включающая литье, обжатие и прокатку. Этот про-

цесс получил название CPR (Casting-Pressing-Rolling) [360].

При

этом, если стандартная толщина сляба МНЛЗ типа CSP равнялась

50 мм, а расстояние между стенками кристаллизатора на уровне

мениска составляло 170 мм, то на МНЛЗ типа CPR за счет обжа-

тия сляба (максимальная толщина 80 мм) представляется воз-

можным дополнительно увеличить толщину кристаллизатора на

величину обжатия. Иначе говоря, сечение в зоне мениска кри-

сталлизатора

приближается к характерному для классических

слябовых МНЛЗ. Благодаря большим размерам сечения заготов-

ки уменьшаются эрозия стенок, захват шлакообразующей смеси в

металл сляба, склонность к образованию поверхностных трещин

и т.п. Кристаллизатор снабжен системой электромагнитного тор-

можения (Electromagnetic braking – EMBR) конвективных пото-

412 Металлургические мини-заводы

ков и системой изменения толщины заготовки в пределах 40-80

мм. Меньшая толщина сляба позволяет с большей легкостью

прокатывать его в тонкий лист.

В целом для МНЛЗ на заводе в Батлере достигнутая ско-

рость разливки составила 7,7 м/мин. Вместе с другими факторами

это обусловило высоту машины от пола на уровне разливочной

площадки, равную

11,3 м, что примерно на 2 м выше сущест-

вующих. По имеющимся данным, использование кристаллизато-

ров конической формы (рис. 4.5) не ухудшает качество поверхно-

сти заготовки. Для обеспечения быстрого ввода затравки без по-

вреждения поверхности кристаллизатора используется ориги-

нальная система, содержащая механизм отвода на большое рас-

стояние противолежащих стенок кристаллизатора.

В сравнении с «

классическими» слябовыми МНЛЗ следует

обратить внимание на повышенные эксплуатационные расходы,

которые обусловлены тем фактом, что подвод металла в кристал-

лизатор на тонкослябовых МНЛЗ достаточно затруднен за счет

уменьшения открытой зоны для установки погружного стакана.

Это требует разработки специальной геометрической формы по-

гружного стакана, что сокращает срок его службы и, соответст-

венно

, ограничивает серийность разливки (рис. 4.35).

Основная проблема в создании погружных стаканов опти-

мальной геометрической формы заключается в минимизации ин-

тенсивности перемешивания металла в кристаллизаторе в усло-

виях литья со скоростями 5 - 7 м/мин и более. Основной поток

металла направляется на узкие стенки и, достигнув их, распреде-

ляется: примерно 80% металла стекает вниз, а

около 20% направ-

ляется вверх. Оба эти потока сливаются в движении обратного

потока к центру кристаллизатора, причем это движение в нижней

части кристаллизатора из-за избытка металла даже направлено

вверх.

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 413

Рис.4.35. Конструкция погружного стакана для метал-

ла в кристаллизатор тонкослябовой МНЛЗ

Фирмой «Mannesmann Demag Huten-Technic» разработан

процесс ISP, который во многом аналогичен процессу CSP. Тон-

кий сляб толщиной 60 мм выходит из кристаллизатора и подвер-

гается на участке опорных роликов мягкому обжатию до толщи-

ны 45 мм. Затем после полного затвердевания сляб прокатывает-

ся в трехклетьевой группе на полосу толщиной 15-20 мм. После

индукционного промежуточного подогрева

полоса подвергается

смотке. На установке ISP фирмы «Аrvedi» (Италия) можно полу-

чать полосу толщиной менее 2 мм. Годовой объем производства

составляет 800 тыс. т.

При прямом сопоставлении способов CSP и ISP сторонни-

ки способа ISP отмечают следующие преимущества: меньшая ус-

414 Металлургические мини-заводы

тановочная длина МНЛЗ; возможность дополнительного произ-

водства полосы для более толстых листов путем ответвления час-

ти потока металла после первой деформации.

В 1993 г. компания «Tippins» (США) разработала процесс

TSP (Tippins Strip Process), заключающийся в получении литых

слябов средней толщины (100-150 мм), пропуске их через то-

мильную печь и прокатке на стане Стеккеля на полосу

толщиной

до 1,2 мм [361]. По мнению экспертов, основными преимущест-

вами получения слябов средней толщины TSP по сравнению с

процессами получения тонких слябов являются: высокое качест-

во продукции, возможность получения слябов шириной более

2500 мм, более высокая производительность комплекса. Вместе с

тем, серьезным недостатком технологии получения слябов сред-

ней толщины являются более высокие

удельные затраты на капи-

тальные вложения и себестоимость продукции. Процесс TSP реа-

лизован на ряде металлургических заводов в США и Азии, а так-

же на металлургическом заводе «Nova Hut» (Чехия).

В настоящее время количество мини-заводов в мире с по-

лучением тонких слябов и слябов средней толщины оценивается

на уровне 50-55 штук. При

этом около 80% из них оснащено тон-

кослябовыми МНЛЗ. Основная доля таких мини-заводов прихо-

дится на США (около 40%), Западную Европу (18%) и разви-

вающиеся страны (27%), то есть на страны, где наблюдается наи-

больший темп прироста объемов производства плоского проката.

Между тем, даже в самых благоприятных условиях уровень себе-

стоимости продукции мини-

заводов не опускается ниже уровня

себестоимости плоского проката лучших заводов полного цикла.

Следовательно, строительство мини-завода может оказаться эко-

номически эффективным, прежде всего в случае, когда речь идет

о наращивании объемов производства, а существующие произ-

водственные мощности имеют высокий уровень загрузки. Наибо-

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 415

лее вероятным направлением повышения конкурентоспособности

мини-заводов для производства плоского проката является литье

заготовок близких по форме к конечному продукту, то есть фак-

тически получение тонкого листа толщиной 2-6 мм. Основное

преимущество прямой отливки тонкого листа – исключение из

технологической схемы операции горячей прокатки с соответст-

вующим сокращением энерго- и трудозатрат.

В агрегатах

прямой отливки тонкого листа (рис. 4.36) кри-

сталлизатор состоит из двух валков, расположенных непосредст-

венно под промковшом и вращающихся в противоположных на-

правлениях. Жидкая сталь поступает в пространство между вал-

ками и при контакте с поверхностью валков кристаллизуется, об-

разуя корочки, которые двигаются вместе с поверхностью и вы-

ходят из валков

в форме листа, толщина которого определяется

расстоянием между валками, а ширина – боковыми стенками

кристаллизатора [362]. Для отвода выделяющегося тепла валки,

изготовленные, как правило, из сплава меди с хромом, охлажда-

ются водой.

Одну из важнейших проблем в литье тонкого листа пред-

ставляет формирование боковых стенок заготовки, поскольку

конструкция боковых стенок должна обеспечивать удержание

жидкой стали в кристаллизаторе, предотвращая ее прорывы, а

также поддерживать одинаковую температуру металла около

стенок и средней части кристаллизатора, чтобы исключить де-

формацию кромок листа.

В качестве материала боковых стенок используют нитрид

бора и нитрид кремния. Итальянская фирма AST предложила ис-

пользовать композиционный материал, в котором участок стенки,

соприкасающийся с

жидкой сталью, изготавливается из низкоте-

плопроводного материала, а участок стенки, прилегающий к тор-

416 Металлургические мини-заводы

цам валков, - из материала, обладающего высокой ударной стой-

костью и малосмачиваемого жидкой сталью.

Рис. 4.36. Схема непрерывного литья листа

Вероятно, весьма перспективным в этом плане может быть

метод удержания жидкой стали с помощью электромагнитного

поля [363]. Вместе с тем, чтобы удерживать ванну с большой

массой жидкого металла, одной только силы Лоренца недоста-

точно, и необходимо дополнительно использовать твердую стен-

ку. При такой схеме пропускаемый электрический ток направлен

от электрода в

твердой стенке к отлитой полосе, а пара магнитов,

установленных в двух валках создает магнитное поле. Твердая

стенка не перекрывает всю боковую поверхность ванны жидкого

металла: некоторая придонная часть вблизи раствора валков ос-

тается за пределами стенки, и здесь металл удерживается силой

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 417

Лоренца. Направление электрического тока – в основном верти-

кальное, а магнитное поле приложено в поперечном направлении.

Сила Лоренца направлена внутрь кристаллизатора и препятствует

вытеканию металла из ванны.

В технологическом плане важнейшей задачей при литье

тонкого листа является обеспечение заданной его толщины. Рас-

ширение рабочих валков при нагреве приводит к уменьшению

зазора между

ними. Кроме того, при отливке листа решающими

становятся первые миллисекунды контакта жидкой стали с по-

верхностью валка, так как теплоотвод при этом значительно

сильнее, чем при отливке традиционного сляба, из-за отсутствия

шлаковой прослойки между валком и листом. Однако равномер-

ность теплоотвода от затвердевающей корочки во многом зависит

от состояния

поверхности рабочих валков и количества жидких и

твердых оксидов между поверхностями заготовки и валков

[361,_365].

Учитывая специфические требования к литью тонкого лис-

та, необходимо отметить, что эти условия не могут быть решены

путем применения традиционных подходов. Так, с увеличением

скорости разливки возрастает влияние формирования потока в

кристаллизаторе на качество получаемой

заготовки. С учетом

этого необходимо иметь технику и технологию подачи металла

из промковша в полость кристаллизатора, обеспечивающую рав-

номерное его распределение в жидкой ванне при литье с боль-

шими скоростями (50-100 м/мин). При отливке тонкого листа

скорости движения затвердевающей корочки и кристаллизатора

одинаковы, что исключает необходимость применения техноло-

гической смазки. Для

защиты металла от теплопотерь и вторич-

ного окисления, как правило, используют металлическую крыш-

418 Металлургические мини-заводы

ку, футерованную огнеупорным материалом с отверстиями для

подачи инертного газа.

Создание промышленных и опытно-промышленных агре-

гатов для литья тонкой полосы осуществляется в соответствии с

несколькими конкурирующими проектами. Так, в Европе не-

сколько лет назад немецкая фирма KTS, итальянская фирма AST и

австрийская VAI создали объединение для разработки и внедре-

ния

установки и технологии для получения тонкого листа на

двухвалковой МНЛЗ (проект Eurostrip). В декабре 1999 г. на за-

воде в Крефельде была разлита первая промышленная плавка

массой 36 т с получением листа шириной 1100 мм и толщиной 3

мм. С марта 2000 г. на этом заводе устойчиво разливается полный

ковш вместимостью 90 т. МНЛЗ имеет следующие характеристи

ки: диаметр валка - 1500 мм, скорость разливки - 60-100 м/мин

(макс. 150 м/мин), толщина листа - 1,5-4,5 мм, ширина листа 1100

мм, емкость промковша - 16 т, годовая производительность – 400

тыс.т.

В январе 2000 г. было объявлено о подписании соглашения

между американской фирмой «Nucor», австралийской фирмой

BHP и японской фирмой IHI о создании совместного проекта

Castrip. Согласно проекту

, базовая установка для литья тонкого

листа установлена на заводе фирмы «Nucor» в Кроуфордсвилле.

При этом намечено получать лист шириной 1524 мм, толщиной 1

мм при диаметре валков 500 мм.

В конце 2000 г. германская фирма «SMS Demag AG» и

швейцарская фирма «MAIN AG/Marti-Technologie AG» подписали

лицензионное соглашение о строительстве промышленной двух-

валковой установки по отливке тонкого листа из

углеродистых и

нержавеющих марок стали производительностью 300-800 тыс. т в

год. Установка оборудована системой привода, обеспечивающей

быструю замену валков, а также оригинальным устройством бо-

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 419

ковых стенок кристаллизатора, позволяющим изменять ширину

отливаемого листа. Весь процесс происходит в инертной атмо-

сфере.

Между тем, альтернативные исследования по созданию

эффективных технологий литья тонкого листа ведутся в ряде

стран мира (Франция, Южная Корея, Япония, Италия, Англия,

Германия, Канада). Вероятно, в ближайшем будущем исследова-

ния в области непрерывного литья тонкого листа

будут сосредо-

точены на двух основных направлениях: улучшении конструкции

функциональных узлов установки для обеспечения возможности

серийной разливки и углубленном изучении характеристик литой

полосы для более полного использования ее потенциала.

Обобщая все известные исследования, можно утверждать,

что технология прямой отливки тонкого листа исключает такие

операции традиционного процесса, как отливка и зачистка

сля-

бов, их повторный нагрев и прокатку. В результате этого значи-

тельно сокращаются капитальные вложения, связанные с обору-

дованием, и уменьшаются энергозатраты. Опыт работы установ-

ки в Крефельде показал, что расход энергии сократился на 2,8

ГДж на тонну стали, или на 85 %, по сравнению с традиционной

технологией. Значительно уменьшился выброс парниковых газов:

выделение

СО

– на 160 кг/т, или на 85 % по сравнению с исполь-

зованием для обогрева печей природного газа; выделение NO

–

на 207 г/т или на 90 %; выделение SO

– на 36 г/т или 70%. В то

же время некоторые специалисты считают, что максимальная

экономия на 1 т проката при производстве углеродистых сталей

не превысит 25 долларов США. Однако существенным преиму-

ществом новых процессов является резкое уменьшение затрат на

капиталовложения.

420 Металлургические мини-заводы

Таким образом, обобщая приведенные данные, можно ут-

верждать, что сталеплавильные мини-заводы для получения лис-

товой продукции могут быть достаточно привлекательными для

инвесторов в силу ряда экономических и технологических пре-

имуществ (более низкие капитальные затраты, снижение энерго-

емкости, короткое время прохождения заказов, меньшие затраты

на планирование, административное управление и транспорт,

уменьшение

нагрузки на окружающую среду и пр.). При этом

крайне широкие перспективы для использования в технологиче-

ских системах современных мини-заводов могут иметь двухвал-

ковые МНЛЗ для получения тонкого листа.